nanomaterijali

Наноматеријали – примена

Примена наноматеријала

Технички факултет Чачак

2


Нанотехнологија

Нанотехнологија је интердисциплинарна наука која укључује физику, хемију, биологију, науке о материјалима, као и широк скуп инжењерских дисциплина. Реч нанотехнологија, користи се као синоним и за науку и за технологију. Као наука, нанотехнологија проучава физичке, хемијске и биолошке особине молекула и атомских честица. Нанотехнологија као технологија примењује истраживања из наведених наука и различите инжењерске дисциплине за производњу материјала и функционалних система са посебним и јединственим особинама. Нанотехнологија као инжењерска дисциплина, односи се на технике и производе који укључују структуре нанометарских димензија, у рангу од 1 до 100 нанометара, а нарочито оне које трансформишу материју, енергију и информацију, употребом нанометарских компоненти са прецизно дефинисаним молекуларним особинама. Крајем 1980-их, појам нанотехнологија улази у широку употребу за опис будућих технологија које ће се базирати на молекуларним машинским системима, односно системима дизајнираним тако да буду способни да конструишу сложене производе са атомскомпрецизношћу. Од половине 1990-их, употреба концепта се проширила на инструменте, процесе и производе чије су кључне димензије у рангу између 1 до 100 нанометара. Различите технологије се уклапају у ову дефиницију, а многе могу допринети развоју нових производа и производних процеса, на пример, напредна молекуларна производња. Прогрес у нанотехнологији се може посматрати преко многих параметара, укључујући прецизност, сложеност, исплативост и избор производа. Дугорочни циљеви нанотехнологије су атомска прецизност, арбитрарна сложеност наноструктура, уштеда у производњи и масовна производња. Комбинација ових циљева изгледа изводљива, али само кроз вишеслојни процес који почиње са разумевањем да тренутно стање развоја нанотехнологије има ограничене способности. Технологије које се користе у нанотехнологији су врло различите, брзо се мењају, а често нису међусобно повезане. Типични производи нанотехнологије су наночестице, фибре и филмови различитих материјала и структура. Ту су такође литографске наноструктуре за електронска интегрална кола, структуре настале спонтаним додавањем молекула, односно аутосклапањем, као и чврсти храпави, или порозни наноматеријали.Медији и материјали који се користе за производњу наноструктура и нанотекстура, често међусобно немају много заједничког, а налазе практичну примену почев од производње одеће отпорне на флеке па све до напредних електронских компоненти. Многи типови нанотехнологија су наследници научних истраживања из већ постојећих наука, али сада под новим именом. Пионир нанотехнологије је K. Eric Drexler. (рођен 25 априла, 1955.) је амерички инжењер најбоље познат по популаризацији потенцијала (за сада, углавном) хипотетичкемолекуларне нанотехнологије. Током касних 70-тих развија идеју молекуларне нанотехнологије. 1979. године се сусрео са провокативним предавањем физичара и Нобеловца Richarda Feynmana, "There's Plenty of Room at the Bottom" (српски: Много је простора на дну).


3


Термин "нанотехнологија" је 1974. сковао професор Norio Taniguchi сa Tokyo Science University, да би описао прецизну производњу материјала са нанометарском прецизношћу. Drexler је, без питања, употребио тај назив у својој књизи из 1986.: Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, како би описао оно што је после постало познато као молекуларна нанотехнологија. Тада је Drexler по први пут употребио израз "gray goo" да опише шта се може десити ако хипотетичке самореплицирајуће машине измакну контроли. Др. Drexler је дипломирао интердисциплинарне науке, магистрирао астро/аеронаутички инжењеринг и има два доктората са института МIТ, један из архитектуре, а други из МIТ Media Lab. Његов докторат из 1991. под патронатом МIТ Media Lab -а је први докторат на тему молекуларне нанотехнологије. Једна од препрека достизања нанотехнологије је недостатак ефикасног начина да се направе машине на молекуларној скали. Једна од Drexlerovih раних идеја је била "assembler", наномашина која би имала "руку" вођену рачунаром која би била програмирана да прави наредне машине. То до сада није учињено. Вођене су многе расправе о будућем утицају нанотехнлогије. Нанотехнологија има потенцијал да направи многе нове материјале и уређаје са широким спектром примене, у медицини, електроници, биоматеријалима и производњи енергије. Са друге стране, са нанотехнологијом се постављају иста питања као код сваког увођења нове технологије, укључујући бригу о токсичности и утицају наноматеријала на околину, као и њиховог потенцијалног утицаја на економију. Постоје и спекулације око различитих сценарија тоталног уништења. Ове забринутости су водиле до дебата између одређених група и влада, о томе да се на неки начин осигура посебна регулација за нанотехнологију. Подручја у физици као што су наноелектроника, наномеханика и нанооптика су еволуирале током неколико задњих деценија толико да сада осигуравају научни темељи нанотехнлогије.

Слике : Нанотехнологија Технички факултет Чачак

4


Четири главне фазе прогреса у нанотехнологији

Mihail Roco, један од архитеката Националне нанотехнолошке иницијативе Сједињених Америчких Држава, је предложио четири фазе нанотехнологије које имају своју паралелу у техничком прогресу током Индустријске револуције. • Пасивне наноструктуре - наноделићи и наноцеви који осигуравају додатну снагу, електричну и топлотну проводљивост, отпорност, хидрофилију/хидрофобију и/или друге особине које се појављују из њихових структура на наноскали мера. • Активни наноуређаји - то су наноструктуре које мењају стање у циљу трансформације енергије, информације и/или да изводе корисне функције. Постоји извесна дебата да ли на неки начин врхунска интегрисана кола спадају у ову групу, с обзиром да она функционишу упркос особинама које се јављају на наноскали, а не захваљујући њима. Штавише, аргумент се развија, оне се не квалификују као "нове" особине на наноскали, чак иако су сами уређаји између једног и стотину нанометара. • Комплексне наномашине - склапање различитих наноуређаја у наносистем да би се оствариле сложене функције. Има тврдњи да Зеттл машине улазе у ову скупину; други тврде да модерни микропроцесори и ФПГА такође одговарају. • Системи сачињени од наносистема/Продуктивни наносистеми - они ће бити комплексни наносистеми који производе атомски прецизне делове других наносистема, не са нужно новим појавама нанодимензионалних особина, него са одлично схваћеним основама производње. Због атомске природне материје и могућности експоненцијалног раста, ова фаза у развоју нанотехнологије се види као темељ следеће индустријске револуције. Тренутно има много различитих приступа за изградњу прозводних наносистема: укључујући приступе "одозго према доле", и то: "Petterned Atomic Layer Epitaxy" (епитаксија; раст кристала једног минерала на фацети другог минерала) и "Diamondoid Mechanosunthesis". Ту су такође и приступи "одоздо према горе", као што су "DNA Origami" и "Bispeptide Sunthesis ". • Инфо/био/нано конвергенција - С обзиром да је сваки живи организам сачињен од атома и информација, Roco је додао пети корак, који је конвергенција три најреволуционарније технологије.

Слика: Кристална структура нанотехнологије


5



Основе наноматеријала и ред величине Наноматеријали су материјали са саставним јединицама величине 0.000000001мприступ темељен на нанотехнологији. То је истраживање материјала са морфолошким значајем на нано скали, а посебно оних који имају посебна свијства, која произилазе из њихових нано димензија. Нано левел се обично дефинише као мањи од десетине микрометара у барем једној димензији, иако се тај термин понекад користи за материјале мањих од једног микрометра. Важан аспект нанотехнологија је знатно повећање размера површине до волумена присутан у многим нано материјалима, који омогућава ново квантно механичко дејство. Један пример је „квантна величина дејства“, где се електронска својства чврсте материје мењају са великим смањењем величине честица. Овај ефекат није у игри ако одете из макро у микро димензије. Међутим, то постаје израженије када се постигне величина нм. Одређен број физичких особина такође се мења са променом из макроскопске димензије. Новитет механичкох својстава наноматеријала је предмет нано-механичких истраживања. Каталитичке активности такође откривају ново понашање у интеракцији са биоматеријалима. Нанотехнологија се може схватити као продужење традиционалних дисциплина наспрам експлицитног разматрања тих својстава. Осим тога, традиционалне дисциплине се могу поново интерпретирати као специфичне примене нанотехнологије. То динамично узвраћање идеја и концепата придоноси модерном разумевању поља. Уопштено говорећи, нанотехнологија је синтеза и примена идеја из науке и инжењерства према разумевању производњи нових материјала и уређаја. Као што је горе већ наведено, материјал сведен на нано ниво може одједном приказати врло различита својства у односу на оно што показују на макро нивоу, омогућујући јединствене особине. На пример, непрозирне материје постају транспарентне (бакар), код инертних материјала постићи каталитичка својства (платина), чврст претворити у течан на собној температури (злато), изолатори постају преносиоци (силикон). Материјали, као што је злато, који је хемијски инертан при хемијским мерилима, може послужити као моћан катализатор хемијске нано скале. Велики део фасцинација нанотехнологије произилази из ове јединствене квантне и површинске појаве. Хемијска обрада и синтеза високих перформанси технолошких компоненти за приватне, индустријске и војне потребе захтева коришћење керамике, полимера, стаклокерамике и материјала композита, високе чистоће. Неконтролисана агломерација праха због атрктивне Ван дер Валсове силе такође може довести до нехомогености у микро структури. Диференцијал наглашава да се развијају, као резултат неједнаког сушења, повезане стопе по којима раствори могу бити уклоњени. Такви напони су повезани са пластичним транзитом у консолидарним телима, а може доћи и до ширења пукотина у телу. Имају једну или више спољних димензија или унутрашњих структура на нано скали, која би могла излагати нове карактеристике у поређењу са истим материјалом без наноскалне карактеристике. Када се честица смањује у величини, већи део атома налази се на површини у односу на оне у унутрашњости. Тако наноматеријали имају пуно већу повшину по јединици масе у поређењу са већим честицама. Порозан материјал, као што су нпр. зеолити, имају велике унутрашње површине и играју битне Технички факултет Чачак

6


улоге у разним процесима, као што је катализа. Међутим, они се обично не зову наноматеријалима, јер њихове спољне физичке димензије обично прелазе 100 nm, па и више. Расути материјали могу показати нова својства када постану наночестични и не постоји повећање употребе тих нових својстава. Два главна састојка узрокују својства наноматеријала, разликујући их значајно од расутих материјала, а то су: повећана релативна површина и квантни ефекти. Уз константне масе, смањење величине честица, резултује промену укупне површине. Резултанта веће површине узрокује површинска хемија која постаје све важнија, стога мање честице могу показивати већу биолошку активност по датој маси у поређењу са већим честицама. Другим речима, огромна количина реактивних молекулских врста налази се само на површини нерастворних честица и честица језгра (преостале након распада растворне компоненте) може бити коначно метричо одеђивање неповољних исхода, иако овим молекулима могу добити само мали део честичне масе. Пре тога најчешће коришћен метрички је „честица масене концентрације“. Са ближег аспекта у партиклеллуна интеракције и друге мере као што су концентрација броја честица и површине треба узети у обзир.

Слике: Наноматеријали


7


Примена наноматеријала Материјали наноструктурног типа потенцијално имају веома занимљиве примене. Особине материјала чија је величина честица у распону од 1 нм до 250 нм леже у области између квантних ефеката атома и молекула и макроскопских одлика волуминозних узорака. Управо у овој “ничијој земљи” већина физичких особина се контролише путем појава које имају критичне границе на наноскали. Могућност производње и контролисања структуре наночестица омогућава утицај на крајње особине и, напослетку, дизајнирање материјала који ће имати жељена својства. Постоји изузетно широк распон примена у којима величина честица доводи до побољшања у карактеристикама материјала: мала величина омогућава финије полирање и добијање глаткијих површина; уколико је величина зрна сувише мала за дислокације добијамо метале велике тврдоће и јачине; велика додирна површина омогућава добијање ефикаснијих катализатора и енергијски богатијих материјала. По правилу, наноструктурни материјали често имају јединствене електричне, хемијске, структурне и магнетне особине, па се користе у уредајима за чување информација, биопроцесирање и у производњи ферофлуида.

Примери примена наноматеријала • Оптички материјали • Нанокристални хидриди и наноцевчице као резервоари водоника • Горива и експлозиви • Фосфоресценти за заслоне високе резолуције • Елиминација штетних емисија • Батерије високе густине енергије • Снажни магнети • Високоосетљиви сензори • Делови авионских конструкција • Трајнији имплантати у медицини • Електрохромна стакла


8


Механометријска метода У ове методе спадају млевење, дробљење и технике механичког легирања. Млевење је важан поступак у технологији прераде металних и керамичких прахова. Његова основна намена је промена величине и облика честица, као и хемогенизација прашкастих сложених смеса које могу бити накнадно компактиране пресовањем или синтеровањем. Млевење може довести и до различитих физичкохемијских и хемијских промена материјала. У том случају млевење се може описати као механохемијски третман, промена реактивности прашкастог материјала као механичка активација, а реакције изазване уношењем механичке енергије. Током млевења одигравају се бројни процеси на макроскопском, микроскопском и атомском нивоу: образовање и кретање једнодимензионих дефеката у структури, пластична деформација, смицање и лом честица, локално загревање и емисија електрона. За механо-хемијски третман прахова користе се различити типови млинова као што су: вибрациони, атрициони, планетарни и хоризонтални куглични млинови. Предност механохемијских метода је у њиховој једноставности, ниској цени опреме и могућности добијања многих материајала, док се у недостатке убрајају појава агломерације праха, широка расподела величине добијених честица, контаминација од стране опреме, као и отежано добијање честица веома мале величине. Ове методе се најчешће користе за добијање неорганских материјала и метала, али не и органских материјала. Типичне величине кристалита код маханохемијских добијених нанокристала су од 5нм до 20нм.


9


Синтетизовање из парне фазе Методе синтезе керамичких прахова из гаасне фазе се могу поделити на: • Методе које укључују исправање и кондензацију-основа ових метода је превођење полазног материјала у гасну фазу исправљањем и то без укључивања хемијских реакција. Након испаравања следи кондезација, при којој се стварају честице које се затим издвајају из гасне фазе применом уређаја за сепарацију; • Методе код којих је синтеза праћена хемијским реакцијама у гасној фази-у овом случају керамички прахови се синтетишу хемијским реакцијама између полазног материјала и одговарајућих компонената у гасној фази. Ове технике синтезе су се развиле из филмова и превлака. Подешавањем услова синтезе тако да спречи раст филма, а повећа брзину хомогеног раста честица могу се добити веома чисте наночестице. При синтези из парне фазе могу се користити различити извори енергије за активирање процеса (превођење у гасно стање), као што су отпорно загревање, ласери, микроласери, плазма, електронски сноп или сагоревање у пламену.

Синтеза из течне фазе У ову групу метода спадају хидротермалне методе, сол-гел метода и други процесисинтезе из течне фазе методом таложења. У основи ових метода лежи мешање раствора различитих јона у тачно дефинисаним односима под контролисаном температуром и притиском. Разменом топлоте се подстиче формирањене растворљивих комплекса који су добијени таложењем из раствора. Овакав материјал се онда скупља путем филтрирања и/или сушења, чиме се добија прах. Предност ових хемијских процеса је у томе сто се овим путем могу добити значајне Количинене органских и неорганских материјала, као и појединих метала, уз коришћење релативно приступачне опреме. Други важан фактор је могућност прецизног контролисања расподеле величина честица. Међутим, постоје и одређена ограничења, пре свега у добијању синтетисаног материјала чија стехиометрија, по правилу, одступа од жељене.


10


Методе формирања In Situ Методе формирања in situ, односно на лицу места укључују процесе литографије, вакуумског таложења (физичког и хемијског напаравања) и технологију спрејних премаза. Њиховим коришћењем се могу добијати готови производи, попут транзистора, интегрисаних кола, сензора и осталих електронских компоненти. Поред тога, ове методе су намењене и за добијање наноструктурних слојева и премаза,али се могу користити и за производњу наноматеријала скидањем ових наноса са колектора. Због мале ефикасности не користе се за добијање прахова. Као што се види, за производњу наноматеријала се може користити мноштво различитих метода при чему свака од њих има своје предности и недостатке, и све имају комерцијалну примену.

Нано роботи Нано роботи величине 0.000000001 метара до сада највише коришћени у медицини, проналазе, уништавају канцерогене ћелије, токсичне материје, прате и контролишу њихову бројност. Могућност ових робота је велика, како је сада могуће и контролисати њихово кретање унутар организма помоћу polyphyletic-nih бактерија активних на магнетно поље. Помоћу 6 оваквих бактерија које би носиле 1 нано робота било би могуће контролисано кретање кроз организам и прикупљање потребних податка.

Свемирски лифт Главни проблем слања било каквог објекта ван земље је било како победити гравитацију земље, јер највећа енергија се трошила на борбу са силом земљине тезе. Међутим, проналажење нано влакан угљеника сматра се да је могуће да се изгради лифт кој би носио платформу ван гравитационог поља. Грађење таквог лифта омогућиле су наноцеви угљеника ширине 4, а дужине 16 атома, довољно чврсте да издрже ротациону силу земље, своју тежину. Наиме, ове цеви изграђене од два слоја, у попречном пресеку изгледали би као концентрични кругови, довољно су јаке да изграде конструкцију високу 5000-6000 километара, као добри проводници омогућили би одличан пренос струје до крајње јединице у ван гравитационом пољу.


11


Sol-gel Sol-gel је процес мокро-хемијске технике (такође познат као хемијски раствор депозиције) недавно је у широкој употреби у подручју науке о материјалима и инжињерству. Такве методе користе првенствено за израду материјала (обично металних оксида), почевши од хемијских раствора (Sol), који делује као претеча за интегриране мреже (или гел) било дискретних честица или мрежу полимера. Типични су прекурсори метала и металних алкокидес хлорида, који пролазе хидролиза и поликондензацијом реакције на форму или мрежу "еластичне чврсте" или колоидне суспензије (или дисперзија) - систем се састоји од дискретне (често аморфне) субмикрометер честице диспергирани у различитој мери у околном раствору. формирање металних оксида укључује повезивање металних центара са оксо (МАМА) или хидроко (М-ОХ-М) мостова, те стварање метал или метал-оксо хидроко полимера у раствору. Дакле, Sol еволуира ка формирању гела попут дифазан систем који садржи и течне фазе и чврсте фазе чије морфологије у распону од дискретне честице непрекидног мрежног полимера.


12

nanomaterijali

Recommend Documents